近紅外無(wú)創(chuàng)傷血糖濃度測(cè)量方法的組織光學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究.pdf

1、血糖濃度的近紅外無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量是全世界關(guān)注且具有重要現(xiàn)實(shí)意義的課題,但真正無(wú)創(chuàng)傷血糖濃度測(cè)量尚未實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用.其原因在于人體組織復(fù)雜、血糖信號(hào)微弱而背景噪聲強(qiáng)以及測(cè)量對(duì)象個(gè)體差異大和隨時(shí)間變化顯著等方面.本論文旨在通過(guò)研究血糖濃度測(cè)量的組織光學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題,建立起光在皮膚模型中的傳輸模型,并分析個(gè)體差異對(duì)于測(cè)量位置選擇的影響,最后推導(dǎo)并證明一種既能實(shí)現(xiàn)血糖濃度靈敏度最大化又能有效克服內(nèi)部噪聲影響的浮動(dòng)基準(zhǔn)方法. 首先,從組織光學(xué)和化學(xué)

2、計(jì)量學(xué)的角度闡述了血糖濃度測(cè)量的原理和過(guò)程,強(qiáng)調(diào)在復(fù)雜的介質(zhì)情況下研究光傳輸規(guī)律的必要性和重要性.系統(tǒng)地分析了葡萄糖濃度變化、皮膚組織光學(xué)特性以及光在組織內(nèi)傳輸規(guī)律這三者之間的內(nèi)在聯(lián)系,建立了微觀的光子散射模型和宏觀的皮膚三層結(jié)構(gòu)模型,提出的光子檢測(cè)概率密度函數(shù)綜合了傳輸方程的解析特性和隨機(jī)行走的概率統(tǒng)計(jì)特性.通過(guò)比較研究,確定了皮膚組織在1100～1700nm的光學(xué)參數(shù). 綜合分析了漫反射光的統(tǒng)計(jì)特性以及血糖測(cè)量的位置選擇.根

3、據(jù)葡萄糖濃度測(cè)量的需要,分別研究了漫反射光的程長(zhǎng)、穿透深度性質(zhì),并在此基礎(chǔ)上研究了與血糖濃度測(cè)量密切相關(guān)的測(cè)量靈敏度和有效光子比例.綜合考慮測(cè)量靈敏度、有效信噪比和極限測(cè)量的條件,推導(dǎo)了葡萄糖檢測(cè)的極限濃度.詳細(xì)分析光學(xué)參數(shù)和皮膚厚度差異對(duì)葡萄糖極限分辨濃度的影響,為血糖測(cè)量的測(cè)頭設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù).研究表明,要達(dá)到10mg/dl的葡萄糖極限分辨濃度,表皮層厚度必須在0.3～0.8mm范圍以?xún)?nèi)且真皮層厚度大于0.8mm.皮膚光學(xué)參

4、數(shù)10﹪的差異在3.0mm位置對(duì)測(cè)量極限濃度的影響在3﹪的范圍以?xún)?nèi). 系統(tǒng)研究了浮動(dòng)基準(zhǔn)方法及其在血糖濃度測(cè)量中應(yīng)用.浮動(dòng)基準(zhǔn)方法的提出是基于解決葡萄糖信號(hào)微弱、強(qiáng)背景噪聲這兩個(gè)問(wèn)題的,為此首先分析了近紅外血糖濃度無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量中存在的三種噪聲因素,即儀器系統(tǒng)的噪聲、生理狀態(tài)的變化和人機(jī)接口因素,分析了它們產(chǎn)生的根源和定量影響.然后,從理論上對(duì)浮動(dòng)基準(zhǔn)方法的原理及其存在條件加以推導(dǎo),通過(guò)蒙特卡羅模擬證明了波長(zhǎng)變化以及葡萄糖含量的變化